CN114112698A - 一种多导轨三向加载岩土地质力学模型 - Google Patents

一种多导轨三向加载岩土地质力学模型 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多导轨三向加载岩土地质力学模型，包括桁架式框架，桁架式框架中设有导轨式加载机构，导轨式加载机构的上方设有竖向加载机构，导轨式加载机构的四周分别设有一对横向加载机构和一对纵向加载机构。采用本发明可以实现逐级卸载，通过多导轨可以三向独立加载变形，互不干扰，摩阻力较小，提高平面应变效果。

Description

一种多导轨三向加载岩土地质力学模型
技术领域
本发明属于地质力学技术领域，涉及一种多导轨三向加载岩土地质力学模型。
背景技术
随着我国地下工程建设事业的不断发展，施工过程中所面临的水文地质，围岩类型，地形地貌等情况越来越复杂，为了探明这些规律，目前较为直观的方法是三维地质力学模型试验，通过三维地质力学模型试验探寻到一定的规律，通过严格的相似比转化即可得到原型工程中的规律，以此为工程设计提供重要依据，好的装置性能优良，结构合理，使用方便，用途广泛。由国内总参工程兵科研三所研制，顾金才主持参与的PYD-50三向加载地质力学模型于1985年荣获国家科技进步一等奖，利用该装置为国防工程和国家大型民用工程作了大量的地质力学模型试验，均取得了较好的成果。因此开发和改进更加真实、便捷、有效的地质力学模型，对于加快基础设施建设具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种多导轨三向加载岩土地质力学模型，采用该模型可以实现逐级卸载，通过多导轨可以三向独立加载变形，互不干扰，摩阻力较小，提高平面应变效果。
本发明所采用的技术方案是，一种多导轨三向加载岩土地质力学模型，包括桁架式框架，桁架式框架中设有导轨式加载机构，导轨式加载机构的上方设有竖向加载机构，导轨式加载机构的四周分别设有一对横向加载机构和一对纵向加载机构。
本发明的特点还在于：
竖向加载机构包括具有双活塞杆的油缸C，油缸C的上端活塞杆外伸部分用于测量构件的竖向位移，油缸C的下端活塞杆通过联结销连接矩形压柱，油缸C的缸体连接在油缸座板的中心处，油缸座板通过螺栓与桁架式框架连接。
一对横向加载机构包括两个双活塞的油缸A；一对纵向加载机构包括双活塞的油缸B。
导轨式加载机构包括水平设置的下座板，下座板的上方中心处设有矩形压柱，矩形压柱的相对两侧分别设有上座板；矩形压柱与下座板之间从上至下依次设有附加试件及试验模型；试验模型的四周分别设有侧加荷块，每个侧加荷块分别连接一个活塞杆端块；
每个双活塞的油缸A朝向桁架式框架设置的活塞杆端部和每个双活塞的油缸B朝向桁架式框架设置的活塞杆端部均连接有活塞杆端块；
每个活塞杆端块上连接有滑块，滑块与导轨配合，导轨固定在侧加荷块上。
与两个油缸B连接的活塞杆端块上分别设有直线轴承。
本发明的有益效果是：本发明一种多导轨式平面应变三向加载地质力学模型能够对试验模型如地下洞室，隧道衬砌支护等进行轴向和侧向的加载，通过荷载传感器、应变片等可量测到加载过程中的应力、变形。本发明多导轨式结构既能实现快速精确加载，也能够满足良好的平面应变状态方式，同时采用桁架式框架，不失稳的前提下减少材料用量，可重复使用，是一种较好的大尺寸试样平面应变三向加载模型试验装置。可更加准确的模拟开挖施工过程和影响，并可给出更为直观的试验结果，使人们更容易全面把握岩体工程的整体受力特征、变形趋势及稳定性特点。
附图说明
图1是本发明一种多导轨三向加载岩土地质力学模型的主视半剖视图；
图2是本发明一种多导轨三向加载岩土地质力学模型的俯视剖视图；
图3是本发明一种多导轨三向加载岩土地质力学模型中四面加载机构主视剖视图；
图4是本发明一种多导轨三向加载岩土地质力学模型中四面加载机构俯视剖视图；
图5是本发明一种多导轨三向加载岩土地质力学模型中四面加载机构中左视剖视图；
图6是本发明一种多导轨三向加载岩土地质力学模型中设备液压加载系统原理图；
图7是本发明一种多导轨三向加载岩土地质力学模型中同步数据采集与处理系统控制图。
图中，1.活塞杆，2.油缸C，3.螺栓，4.油缸座板，5.联结销，6.套管，7.油缸A，8.油缸B，9.可调支腿，10.桁架式框架，11.定位支座，12.导轨式加载机构，13.直线轴承，14.上座板，15.下座板，16.矩形压柱，17.附加试件，18.滑块，19.滚珠排，20.出线管，21.侧导轨，22.活塞杆端块，23.侧加荷块，24.立柱，25.油箱总成，26.粗滤油器，27.油泵，28.滤流器，29.溢流阀，30.电磁换向阀，31.标准压力表，32.截止阀，33.压力传感器，34.位移传感器，35.定时与逻辑控制器，36.计算机，37.程控放大器，38.采样保持器，39.A/D转换器，40.试验模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种多导轨三向加载岩土地质力学模型，包括主机部分、导轨式加载机构、液压加载系统、同步数据采集与处理控制系统，如图1所示，主机部分主要由5个液压油缸、桁架式框架10、对试验模型施加荷载的导轨式加载机构12组成，液压加载机构通过控制步进电机、电磁阀以及液压源为试验提供动力部分；同步数据采集与处理的控制系统能够自动实现对荷载传感器和位移传感器的信号输入和输出，控制三个方向的应力。
如图1～3所示，主机部分包括桁架式框架10，桁架式框架10中部设有导轨式加载机构12，导轨式加载机构12的上方设有双活塞杆加载机构；
双活塞杆加载机构包括具有双活塞杆的油缸C2，通过油缸C2上端的活塞杆1外伸部分用于量测构件竖向位移，油缸C2的下端活塞杆1传递竖向液压荷载，油缸C2的下端活塞杆1通过联结销5连接矩形压柱16，通过油缸C2的下端活塞杆1向矩形压柱16加载。
油缸C2的缸体连接在油缸座板4的中心处，油缸座板4四周开孔，用于设置连接4个套管6，套管6经4个螺栓3采取螺纹连接的方式锚固于油缸座板4；
如图3～5所示，导轨式加载机构12包括上座板14、下座板15、矩形压柱16、滚珠导轨18、侧导轨21、活塞杆端块22、4块侧加荷块23、立柱24及附加试件17；
矩形压柱16的中心通过联结销5与油缸C2的下端活塞杆1连接，在联结销5固定作用下，承受顶部油缸C2所传递的竖向荷载于下部试验模型40；最大纵向加载能力为6.3MPa，此时采用第三方向(竖向)加载时，须使用附加试件17，附加试件17位于试验模型40与矩形压住16之间；附加试件17可使试验模型40均匀受力，提高整体性，矩形压柱16左右两侧分别设有上座板14，两个上座板14分别与四个套管6相连接支撑油缸座板4，试验模型40的相对两侧的外边缘处分别设有滚珠排19，通过滚珠排19降低动力传递过程中的摩擦力，提高动力的传递效率；
如图4所示，试验模型40四周分别设有侧加荷块23，侧加荷块23通过滑块18与导轨的配合可在水平面上来回移动，每个双活塞的油缸A7朝向桁架式框架10设置的活塞杆端部和每个双活塞的油缸B8朝向桁架式框架10设置的活塞杆端部均连接有活塞杆端块22；
两个活塞杆端块22分别与两个具有双活塞杆的油缸A7的内侧(油缸A7沿水平方向设置，油缸A7的一个活塞杆伸入桁架式框架10内侧油缸A7的另一个活塞杆外伸)活塞杆端部焊接，通过活塞杆端口22稳定传递侧向荷载，最大侧向加载能力为9.8MPa，荷载偏差＜1％。每级荷载(油压)增量约为0.1～0.4MPa，可通过油缸A7的水平活塞杆外伸部分测量外部侧向位移；
试验时，试验模型40位于在上座板14、下座板15及四周侧加荷块23中间，下座板15负责承担导轨式加载机构12整体重量，试验模型40下方设有的出线管20，用来布设粘贴在试验模型40内侧的电阻应变片，也可测量内部地质力学模型结构应变情况。
油缸座板4的四个顶角分别通过四个套管6连接在上座板14上。
如图2所示，套管6通过上座板14四角处设置的定位支座11固定支撑油缸座板4，试验模型40的前后两侧分别设有一对油缸A7；试验模型40的左右两侧分别设有一对油缸B8；试验模型40的前后两侧、左右两侧各采用一对油缸串联供油，可保持对称同步移动，较好地实现试验模型40均匀传递加载压力；
两个油缸A7的缸体和两个油缸B8的缸体分别连接在桁架式框架10，采取桁架式框架10不仅节省材料，减轻机构重量，与以往传统的地质力学模型相比显得简洁，而且同样能够提供支反力作用，保持加载过程中结构稳定；
油缸A7和油缸B8均为双活塞杆，每个油缸A7中一个朝向桁架式框架10内侧设置的活塞杆和油缸B8中一个朝向桁架式框架10内侧设置的活塞杆向试验模型40均匀传递侧向荷载，桁架式框架10每侧下方设有2个可调支腿9，桁架式框架10的四周共8个可调支腿9，用于支撑加载装置工作台面，便于调节高度。
导轨式加载机构12左、右两侧分别设有直线轴承13，直线轴承13固定在水平加载机构12中的活塞杆端块22上，可以克服整个加载机构在加载过程中，可能发生整体偏转的现象，提高模型装置刚度。
四个立柱24与上座板14、下座板15构成桁架式框架10，桁架式框架10中间布置有导轨式加载机构12。
侧加荷块23为L型板，直线轴承13的设置目的是为了防止偏转；采取双活塞杆外伸部分可量测位移，通过位移传感器来测量。
如图4所示，内部加载机构由侧加荷块23、活塞杆端块22、滑块18构成，各有四组，四组内部加载机构之间依次通过侧导轨21首尾连接，带动导轨式加载机构12移动；
侧加荷块(A)23左侧端部连接在侧导轨21上，施加荷载时，侧加荷块(A)23向内侧移动时，推动侧加荷块(A)右侧的侧加荷块(B)23通过其(侧加荷块(B))连接的滚珠导轨18向下移动；侧加荷块(A)23下方通过侧加荷块(C)23向内施加荷载时，推动侧加荷块(C)23左侧构件连接的滚珠导轨18向上移动，即当上、下加载机构加载时，左右构件分别向上、向下移动，而当左、右加载机构加载时，上下构件分别向右、向左移动，采取此多导轨的方式，可以实现独立加载变形条件，互不干扰，摩阻力较小，提高平面应变试验效果，为保证模型的平面应变条件，每加一级荷载调整一次纵控应力，以保持模型的平面应变条件，同时进行一次读数。当荷载加到被模拟的初始的应力荷载时，保持其值不变，进行地质力学模型试验比如各种洞室的开挖与支护作业。然后通过进行超载试验，来确定工程的安全系数并观察其破坏形态，
如图6所示，液压加载系统包括依次连接的油箱总成25、粗滤油器26、油泵27、滤流器28，滤流器28上依次设有溢流阀29、电磁换向阀30、标准压力表31、截止阀32；
油箱总成25上部构成回路，油箱总成25左侧线路先与粗滤油器26相连接，然后连接油泵27，其次再与滤流器28相连接，粗滤油器26和滤流器28结合使用降低液压油所含杂质对液压元件的损耗，提高试验设备使用寿命；
系统首次加油启动必须排尽油路中的空气，溢流阀29在系统中起安全保护作用，形成回路，若滤油效果不明显可关闭溢流阀29重新循环滤油，通过标准压力表31显示若液压加载系统压力超过规定值时，安全阀顶开，将液压加载系统中的一部分气体排入大气，使液压系统压力不超过允许值，从而保证液压加载系统不因压力过高而发生事故，本试验装置为应力控制，由调压阀调节油缸供油压力来控制应力，通过电磁换向阀30配合电路实现预期的控制，提高控制的精度和灵活性，上方连接一对油缸，构成回路，截止阀32开启时可调整单缸初始位置，系统从左到右依次为油缸C2和左右两个油缸B8及前后两个油缸A7，共三组，分别提供竖向应力和侧向应力，液压油缸侧面连接有压力传感器33与位移传感器34，侧向加载时由电磁换向阀30控制，采用双活塞杆油缸施加荷载，一对油缸串联供油，可保持对称同步移动；在轴向加载方向，油缸C2连接电磁换向阀30，同样再连接压力传感器33与位移传感器34，对试验模型40传递液压；
如图7所示，同步数据采集与处理的控制系统包括定时与逻辑控制器35和程控放大器37，程控放大器37的输入端均与压力传感器33、位移传感器34连接，定时与逻辑控制器35和程控放大器37输出端与采样保持器38连接，采样保持器38连接A/D转换器39，A/D转换器39和定时与逻辑控制器35均连接计算机36；压力传感器33、位移传感器34的信号经程控放大器37放大后，进入采样保持器38，经A/D转换器39进行A/D转换，最后进入计算机36；压力传感器33、位移传感器34的信号和经程控放大器37放大后的信号都进入定时与逻辑控制器35进行逻辑判断或时间判断进入计算机36。

Claims (5)

1.一种多导轨三向加载岩土地质力学模型，其特征在于：包括桁架式框架，桁架式框架中设有导轨式加载机构，导轨式加载机构的上方设有竖向加载机构，导轨式加载机构的四周分别设有一对横向加载机构和一对纵向加载机构。
2.根据权利要求1所述的一种多导轨三向加载岩土地质力学模型，其特征在于：所述竖向加载机构包括具有双活塞杆的油缸C，油缸C的上端活塞杆外伸部分用于测量构件的竖向位移，油缸C的下端活塞杆通过联结销连接矩形压柱，油缸C的缸体连接在油缸座板的中心处，油缸座板通过螺栓与桁架式框架连接。
3.根据权利要求2所述的一种多导轨三向加载岩土地质力学模型，其特征在于：一对所述横向加载机构包括两个双活塞的油缸A；一对所述纵向加载机构包括双活塞的油缸B。
4.根据权利要求3所述的一种多导轨三向加载岩土地质力学模型，其特征在于：所述导轨式加载机构包括水平设置的下座板，下座板的上方中心处设有矩形压柱，矩形压柱的相对两侧分别设有上座板；矩形压柱与下座板之间从上至下依次设有附加试件及试验模型；试验模型的四周分别设有侧加荷块，每个侧加荷块分别连接一个活塞杆端块；
每个双活塞的油缸A朝向桁架式框架设置的活塞杆端部和每个双活塞的油缸B朝向桁架式框架设置的活塞杆端部均连接有活塞杆端块；
每个活塞杆端块上连接有滑块，滑块与导轨配合，导轨固定在侧加荷块上。
5.根据权利要求4所述的一种多导轨三向加载岩土地质力学模型，其特征在于：与两个所述油缸B连接的活塞杆端块上分别设有直线轴承。
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